环形弹簧在桥梁支座中的应用研究.pdf

书书书 ：环形弹簧在桥梁支座中的应用研究收稿日期：作者简介：张晓武（），男，高级经济师，从事桥梁支座及减隔震（振）装置的研究、推广、成果转化等工作通信作者：梁文伟（），男，工程师，从事桥梁减隔震（振）技术、车桥耦合振动仿真等工作张晓武，梁文伟，顾海龙，高健（中船双瑞（洛阳）特种装备股份有限公司，河南 洛阳 ）摘要：环形弹簧因其自身良好的弹性和耗能特性，是一种在机械、土木建筑等工程领域中应用广泛的减隔振（震）部件。通过对环形弹簧经典的加 卸载特性曲线和滞回曲线进行分析，探究环形弹簧作为减振（震）耗能部件的一些适用工况，最后根据其适用工况研究环形弹簧在桥梁支座中的应用。关键词：环形弹簧；减隔振（震）；特性曲线；适用工况；桥梁支座中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言环形弹簧是由多个带有内锥面的外圆环和带有外锥面的内圆环配合组成的一种压缩型弹簧构件 （见图）。由于其良好的弹性、耗能能力以及大承载能力，同时其结构相对紧凑，因此，环形弹簧常被用在轴向承载大、需强缓冲耗能且空间受限的场合 ，比如土木建筑领域的消能减振（震），枪炮的后座缓冲等 。?环形弹簧特性曲线分析和适应工况研究针对一特定的工况（环形弹簧外环外径最大为 ，弹簧设计轴向载荷为 ，弹簧设计轴向变形量 ），根据 弹簧手册 设计并推导出该环形弹簧的加卸载曲线和不同预压荷载下的滞回曲线，如图所示。?由环形弹簧在不同预压荷载下的滞回曲线可以看出：）不同预压荷载下的滞回曲线均包络在加卸载曲线中。）滞回曲线所围成的面积（见表 ），随着预压荷载的增大，包围面积线性增大，也即环形弹簧的耗能能力线性增大。因此，在采用环形弹簧进行减振（震）耗能时，在一定范围内可以尽可能使预压荷载增大。表 环形弹簧的滞回曲线包围的面积内容活载 预压 预压 预压 预压 包络面积 区别于纯线性弹簧，由环形弹簧特性曲线分析，可得到以下三种其适用工况：）环形弹簧在零预压荷载状态下，当轴向外力能完全卸载时（即轴向外力为瞬时力），比如：风荷载、地震荷载、撞击荷载，列车行车振动荷载等。环形弹簧特性线为完整的加 卸载曲线。此时，环形弹簧既能起到弹性作用，也能够起到强缓冲和耗能的作用。）环形弹簧在有预压荷载的状态下，当预压荷载值较大（预压），为环形弹簧在零预压荷载作用下卸载曲线拐点处对应的荷载值，此时无论活载值取值多少，环形特性线都只能在特性线的刚度极大段范围内振荡，此时环形弹簧失去弹性作用，不能起到耗能与缓冲作用。）环形弹簧在有预压荷载的状态下，当预压荷载值较小（预压），活载值不大于 时，为环形弹簧卸载曲线刚度极大段对应的相对值，此时环形弹簧也将失去弹性作用；当活载值大于 时，特性线也为完整的滞回环，此时也能起到一定的缓冲和耗能作用。环形弹簧在桥梁支座中的应用当列车行车过程中，由于轮轨相互作用产生的振动属于瞬时力，依据相关隔振理论的研究，为了降低列车运行产生的振动传递到桥墩进而扩散到周围环境，从而造成环境振动污染，可通过在振动的传播路径上加入弹性第 卷 第 期年 月 山西建筑 耗能装置以达到隔离、消减振动的目的。列车产生的激振整体传播路径为，轮轨、梁体、支座、桥墩、基础、周围环境。因此，可通过在支座处串联一弹性耗能装置从而隔离、消减振动的传播。上述方法其核心是降低支座的固有频率，也即是降低支座的竖向刚度，同时增加支座的耗能能力。根据小节 中关于环形弹簧的适用工况分析，可采用环形弹簧与桥梁支座串联的方式来实现减隔振（震）功能。支座总体结构设计根据环形弹簧的减隔振（震）原理，在桥梁支座下座板下部串联两个厚壁型环形弹簧。厚壁型环形弹簧是在标准的环形弹簧的基础上，通过结构改进使其增加竖向承载能力，同时降低竖向高度。其功能原理为：当支座上部受到轴向振动荷载作用时，环形弹簧外圈水平向受力胀开，内圈水平向受力收缩，支座整体下降。当支座上部振动荷载卸载后，环形弹簧外环水平向收缩，内环水平向张开，支座整体升高。支座整体处于弹性状态同时由于内外环的摩擦而起到缓冲耗能作用。具体结构形式和计算分析如下。支座的总体结构见图 ，标准环形弹簧结构见图 。?其中，为外圆环直径；为内圆环直径；为环簧受载前总高；为环簧受载后总高；为内圆环的圆锥角；为环簧受载前两节外环初始间距；为环簧受载后两节外环间距；为环簧受载前后高度差；为环簧所受轴向荷载。厚壁型环形弹簧，对比 弹簧手册 里标准的环形弹簧设计方法，主要改进措施如下：）只采用一对标准环簧的一半，减小其轴向尺寸，降低高度。）增大环簧的圆锥角 ；增大环簧径向厚度，提高竖向承载力，增大刚度。此外，在底盆设置凸台和环槽，凸台高度与环簧外环高度保持一致，考虑到环簧长期使用过程中可能疲劳失效，下坐板和底盆可直接接触，保证支座竖向承载能力，提高可靠性。此外凸台和环形弹簧侧面的间隙合理设置，对环形弹簧轴向变形起到导向作用。支座仿真分析计算还是以支座设计承载力为 ，设计轴向载荷 ，弹簧设计轴向变形量 为例，完成多层环簧式隔振支座结构设计，并进行了仿真计算。三维模型见图 。?刚度计算通过对多层环簧式隔振支座的结构仿真分析，结果见图 图 。?表 给出了多层环簧结构在竖向加载过程中的竖向变形情况，图 给出了其荷载 变形曲线，图 显示多层环形弹簧的竖向压缩组合刚度呈线性，为 。第 卷 第 期年 月张晓武，等：环形弹簧在桥梁支座中的应用研究?表 多层环形弹簧结构竖向加载变形情况序号荷载 竖向变形?应力计算通过应力计算，可得：内侧环形弹簧在恒载时的最大应力分别为：内环 ，外环 （见图 ，图 ）。外 侧 环 形 弹 簧 最 大 应 力 分 别 为：内 环 ，外环 （见图 ，图 ）。按照通用弹簧材料 的屈服强度为 计算，安全系数分别达到 ，。具体计算表如表 所示。?支座减隔振能力分析通过分析支座在竖向振动激励下，不加环形弹簧结构和加上环形弹簧结构后，支座上下板的加速度和力值变化，分析环形弹簧和支座串联后的减隔振（震）效果。分别在支座上板上 施 加 恒载 ，动 载 为 ，频率为 的振动激励。仿真结果如表 所示。?表 环簧应力参数内环最大应力 外环最大应力 内层 外层 表 支座上下板加速度、力值变化支座类型加速度（）力 普通支座上座板 下座板 普通支座 环形弹簧上座板 下座板 由表 可看出：支座在串联了厚壁型环形弹簧结构后，支座上板在受到一定频率、一定数值的振动激励后，支座下板处的加速度和力值能够明显的减弱，起到了良好的减隔振作用。结论通过分析经典的环形弹簧加 卸载曲线及不同预压荷载下的滞回曲线，得到不同工况下的环形弹簧的适用条件，根据适应条件分析，研究环形弹簧在桥梁支座中的应用，然后通过支座结构设计、仿真分析可得：环形弹簧和支座串联后具备良好的减隔振性能。参考文献：薛瑞娟 环形弹簧静刚度与冲击性能有限元分析 舰船科学技术，（）：赵亚硕，王伟，方成 基于高强钢环簧的摩擦耗能自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究 建筑结构学报，（）：蒋海亮 环形弹簧力学性能分析 保定：河北大学，张英会，刘辉航，王德成 弹簧手册 北京：机械工业出版社，第 卷 第 期年 月山西建筑 ：软弱围岩连拱隧道力学特性及支护参数研究收稿日期：作者简介：肖杨（），男，硕士，工程师，从事隧道工程方面的研究肖杨，蒲松，（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 ；西南交通大学土木工程学院，四川 成都 ）摘要：支护体系是隧道稳定性的保障，支护体系的合理性应根据隧道的围岩条件、地形条件、水文条件和施工工法等来进行判断。依托某软弱围岩连拱隧道工程，借助大型有限差分软件 模拟不同支护参数下隧道开挖施工，研究分析在不同支护参数下隧道围岩变形规律及结构受力特征，最终比选出连拱隧道最为合理的支护参数。研究结果表明，不同初支厚度下结构内力分布规律基本一致，拱顶处初支受拉最大，拱肩处初支受压最大，当支护厚度由 增加到 时，初支受压由 减小到 ，虽然初支厚度的增加可削弱应力集中现象，但改善效果并不明显。同时，不同初支厚度下围岩位移变化历程基本一致，拱顶处出现最大沉降，拱腰处出现最大水平收敛，随着初支厚度的增加，围岩位移略有减小，但减小幅度不大。综合考虑施工安全和经济性，最终选择 厚初喷混凝土。关键词：软弱围岩；连拱隧道；数值分析；力学特性；支护参数中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言支护体系是隧道稳定性的保障，支护体系的合理性应根据隧道的围岩条件、地形条件、水文条件和施工工法等综合评判 。合理的支护体系不仅能够保证隧道的安全，还要能够满足经济性。初期支护是隧道支护体系的重要组成部分，利用初期支护的柔性使围岩发生收敛性的变形，在变形的过程中围岩应力逐渐释放，初期支护对围岩的抗力逐渐增大，洞周变形逐渐稳定。继而众多国内外学者对隧道初期支护展开了大量研究，唐兴华等 总结了高温下隧道初支混凝土的受力分布及特点；利用有限差分软件 模拟了双连拱隧道的开挖施工，研究发现在侧面溶洞的影响下，初期支护的弯矩和轴力普遍减小 ；常舒等 采用数值模拟方法研究了隧道开挖后初期支护的变形规律，同时根据现场实时监测验证结论正确性；王欣等 介绍了连拱隧道的施工技术；张俊儒等 依托兰渝铁路某连拱隧道工程，结合数值模拟和室内试验的手段分析了连拱隧道围岩变形规律及受力特征；等 以青岛地铁 号线某地铁车站为工程背景，通过建立三维有限元数值模型研究分析了大跨度地铁地下车站初期支护受力特征和变形历程，结合现场监测，总结了初支变形受力特点，并将初支变形分为缓慢变形、剧烈变形和稳定变形三个阶段；陈新栋 借助模型试验的研究手段分析了由单洞隧道扩建为连拱隧道后初支的受力特征以及地表沉降规律，研究结果表明，扩建对围岩的扰动性更大，相较于单洞，连拱隧道围岩变形及初支受力更大，同时，后行洞的开挖会对中隔墙造成偏压影响。综上，国内外大多学者结合室内试验、数值分析、现场监测等研究手段深入研究了不同围岩环境、隧道断面类型下初期支护的变形规律及受力特征，并取得了显著成果。而目前专门针对软弱围岩连拱隧道力学特性及支护方案的研究还很匮乏，提出一套软弱围岩条件下连拱隧道合理的支护体系迫在眉睫。本文依托某软弱围岩连拱隧道为工程背景，借助大型有限差分软件 模拟连拱隧道在不同初支参数下的循环开挖支护全过程，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅研究分析不同支护参数下隧道围岩变形规律及支护结构 ，（），）：，（），（），：；（）；第 卷 第 期年 月山西建筑